一切从镜片说起 佳能顶级单反镜头探秘

　　DO镜片的出现基于衍射现象研究的进展（关于衍射的概念可见本文最后的附注）。这种元件形状不对称，不过相比萤石镜片和UD镜片更加优异的消除色散性能使它吸引了很多业内人士的注意。以往，由于存在衍射眩光的问题，想要将消除色差元件组合进镜头中是颇为费劲的工作。为此佳能开发出多层衍射光学镜片，独一无二的结构令镜头可以更小、更短、色差更细微。第一台使用DO镜片的镜头是佳能EF 400mm f/4 DO IS USM，其紧密、轻巧的镜身和极其优异的成像质量让DO镜片名声大噪。

DO变焦镜头的体积大幅减小

　　单片DO镜

　　由于振幅型衍射光栅结构不适合用于照相机的光学系统，因此只能应用另一种外形酷似“斧头刃”的相位型衍射光栅。这种光栅并不挡住光线，而是依靠像“菲涅尔透镜”那样的多个同心圆环结构制造出衍射波。改变光栅间距得到的图像在成像特点上与非球面镜成像特点如出一辙，因此单层衍射元件就可以用来解决例如球面镜像差等一系列问题。

DO结构示意图

　　波长大的光束在经过衍射光栅后会产生较大的衍射角度，换句话说就是波长大的光束经过光栅后会距离光栅较近，而波长小的光束只能在更远处形成图像。同理，由于射入折射镜的的光线还具备一定的亮度，因此短波长的光束可以在距离较近的位置形成图像，而长波长光不得不靠后一些。对于色差问题，这也就意味着同时使用一组衍射元件和折射元件可以将色差的位置顺序调转过来，而如果将这两个系统合并则能够校正互相的色差，就能使色差现象彻底消除。与前文所说那种凹凸镜片结合以校正色差的技术不同，靠光学衍射消除色差只需要利用凸透镜即可，这也就为简化镜头内各个镜片组提供了便利，同时还可以有效地校正除了色差之外的其他成像缺陷。

DO元件色差修正原理图

　　DO镜的发展

　　单层衍射光学元件已经配合激光技术应用在读取CD、DVD的激光头上，不过这项科技也不能够直接转到摄影镜头领域。毕竟激光的波长固定，而摄影中接受的光线波长丰富。为了让折射镜把射入镜头的光线全部折射掉，镜片表面的多层镀膜结构可以使所有人眼可见光转变成影像表现光。例如EF 400mm f/4 DO IS USM镜头中使用了两块面对面摆放的同心圆环栅格单层镀膜衍射镜。由于镜头内光线不会产生无意义的衍射光，因此DO镜把几乎所有的人眼可见光都转变成了影像表现光，从而提高了成像的质量。

单层衍射镜与DO镜的透光性能差异

　　DO镜系统靠一块球面镜片和一块衍射结构镜片组成，衍射镜在一个特殊塑料模具中打磨成型。镜片上的衍射光栅薄厚达到了微米级，光栅间隔从几毫米逐渐减小至十余微米。为了保证衍射光栅的间隔、厚度、位置符合标准，整个制作过程的测量精确程度甚至达到微米之下。一些新技术为此而生，例如3D超高精准微构建技术，同时佳能公司的一些成熟科技也被用上，例如复合非球面镜工艺和高精准定位技术等。

　　三层DO镜

　　原理上，DO系统具备缩小变焦镜头物理长度的潜力。不过事实上，已经出现在EF 400mm f/4 DO IS USM定焦镜头上的双DO镜结构设计恐怕很难被再次使用。首先，对于定焦镜头的入射光照基本上是固定的，而在变焦镜头中，光线入射角会随着焦距调整而大幅改变。从已经设计完成的DO镜头来看，改变光照入射角的同时会产生不必要的衍射光线，因此可能造成眩光而极大影响成像质量。不过新研发的3层DO镜结构按照合适的搭配顺序组装在光轴上，可以补偿焦距调整带来的光照改变。

　　3层衍射光栅可以保证任何进入镜头的光束都不会衍生出杂余光线，同时仍然能够使几乎所有的入射光都转变成对影像有益的影像表现光。3层DO结构首次出现在EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM镜头中，它有效地提升了光线折射率，缩短了镜头物理长度，对色散和非球面镜特性的弊病实现完美的补偿。

　　相比用传统折射镜片工艺制造的EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM镜头，EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM在长度上缩短了30%，同时其修正了色差、球差之后的成像质量也完全达到了佳能最优秀的L系列镜头水平。

DO镜头小型化原理图

　　关于衍射：

　　衍射是光波经过物体边缘或细小孔径后发生的传播方向弯曲现象。这是一种光波传播的特征，无法被消除，比如在镜头光圈过小时就有可能发生。衍射眩光是镜头内部经常出现的干扰源，当光进入镜头，光圈叶片后方就会出现衍射而影响成像质量。不过衍射的特性也可以用于控制光入射的方向，假如在光的传播途径上设置两个紧紧挨着的狭缝，这样就能得到类似在小光圈下发生的眩光效果。

衍射示意图

　　具体来说，当光束穿过两个并排的孔隙，在每个小孔开始发生衍射，也就相当于两个孔隙变成了两个光源。这样从外部射入的纷杂光束经过两个小孔后，发出的光线又趋近同向。从两点发出的光有些在经过一个周期后会叠加起来，有些则要经过两个或更多周期才会叠加。其中那些经历了一个周期后便汇合的光线的方向称为衍射方向（Primary Diffraction），两个并排紧挨的孔隙叫衍射光栅。改变两个孔隙相互之间的距离会导致衍射方向改变，每个孔隙自身的宽度以及光源波长决定着衍射现象的程度（即衍射角度）。

衍射波产生的原理